場致發(fā)射陣列陰極的模擬計算及特性研究.pdf

1、山東大學碩士學位論文場致發(fā)射陳列陰極的模擬計算及特性研究姓名：杜英華申請學位級別：碩士專業(yè)：無線電物理指導(dǎo)教師：李炳炎廖復(fù)疆20030512山東大學碩士學位論文中文摘要真空微電子學是一門涉及真空電子學、微電子學、材料科學和薄膜技術(shù)的新興學科。其核心技術(shù)是利用微細加工技術(shù)和薄膜工藝制成的場致發(fā)射陣列陰極(FEA)，它的發(fā)射單元是帶有自對準陰極的曲率半徑很小的尖端，當在微米級距離的尖端和柵極間施加幾十到二百伏電壓時，尖端表面電場可達107V

2、／cm，強電場使表面勢壘降低變窄，在隧道效應(yīng)的作用下使電子向真空發(fā)射。與現(xiàn)有熱陰極相比，場致發(fā)射陣列陰極具有啟動快、無預(yù)熱延遲、功耗小、室溫工作、電流密度大等特有的優(yōu)勢，在民用和軍用領(lǐng)域都有極好的應(yīng)用前景。目前國際上Spindt型場發(fā)射陣列陰極發(fā)展比較成熟，應(yīng)用最廣泛，但國內(nèi)研制水平與實際應(yīng)用還有較大差距，其中一個主要問題在于能穩(wěn)定工作的發(fā)射電流密度還低于實用水平。而在正常工作情況下，Spindt陰極的發(fā)射電流密度主要取決于，發(fā)射尖錐的

3、密度、單個發(fā)射尖錐的電流及可發(fā)射電流尖錐的比例。論文從場致發(fā)射基本原理入手利用VisualFortran語言和有限差分算法編制場發(fā)射三極管模擬程序，討論三極管各參數(shù)對發(fā)射特性的影響，以此來尋求提高單個發(fā)射尖錐電流的方法。為提高計算精度和速度，程序引入了虛陽極，采用區(qū)，域細化反復(fù)迭代的有限差分算法。程序主要使用數(shù)值方法求解泊松方程、Fowler—Nbrdheim方程、電子運動方程，并處理相應(yīng)邊界。其中應(yīng)用泊松方程的差分迭代計算法求解電場：

4、應(yīng)用空間電荷運動方程，由龍格庫塔法來求解電子運動軌跡，得到空間電場及發(fā)射電流。最后，通過圖形后處理程序得到等勢線及電流軌跡圖。論文根據(jù)程序結(jié)果繪制了三極管各參數(shù)與尖錐表面電場及發(fā)射電流關(guān)系的折線圖，并根據(jù)關(guān)系圖及電位分布圖進行分析，認為發(fā)射體的尖錐曲率半徑及柵極開口半徑是影響發(fā)射體發(fā)射特性的最主要因素：發(fā)射尖錐的電場強度隨著柵極開口半徑的減小呈大致線性增加，發(fā)射尖錐曲率半徑的減小同樣可以使尖錐空間電場增強，從而提高發(fā)射電流。為了解決電子